(57)【要約】簡単な構成で低背化可能なフォースセンサを得る。所定厚さのシリコン基板からなる変位部と、シリコン基板表面に位置して外部からの荷重を受ける受圧部と、この受圧部とは反対側となるシリコン基板裏面に配置され、変位部の変位量に応じて電気抵抗が変化する複数のピエゾ抵抗素子と、シリコン基板裏面に突出形成され、複数のピエゾ抵抗素子とそれぞれ電気的に接続し、かつ、該複数のピエゾ抵抗素子よりも周縁側で変位部を変位自在に支持する複数の電気接続支持部とを備えた。
2011065250.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定厚さのシリコン基板からなる変位部と、
前記シリコン基板の表裏面の一方に位置して外部からの荷重を受ける受圧部と、
この受圧部とは反対側となる前記シリコン基板の表裏面の他方に配置され、前記変位部の変位量に応じて電気抵抗が変化する複数のピエゾ抵抗素子と、
前記シリコン基板の表裏面の他方に突出形成され、前記複数のピエゾ抵抗素子とそれぞれ電気的に接続し、かつ、該複数のピエゾ抵抗素子よりも周縁側で前記変位部を変位自在に支持する複数の電気接続支持部と、
を備えたことを特徴とするフォースセンサ。
【請求項２】
請求の範囲第１項に記載のフォースセンサにおいて、前記複数の電気接続支持部は、前記変位部の平面中心に関して対称な位置に設けたフォースセンサ。
【請求項３】
請求の範囲第２項に記載のフォースセンサにおいて、前記複数の電気接続支持部は、平面矩形状をなすシリコン基板の角部にそれぞれ設けられているフォースセンサ。
【請求項４】
請求の範囲第１項ないし第３項のいずれか一項に記載のフォースセンサにおいて、前記電気接続支持部は、ニッケル合金または導電性を有するシリコンからなるフォースセンサ。
【請求項５】
請求の範囲第１項に記載のフォースセンサにおいて、前記受圧部は、前記変位部上に隆起した円柱状または多角柱状であるフォースセンサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、荷重測定に用いられるピエゾ抵抗方式のフォースセンサに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年では、モバイル機器のタッチパネルやコントローラ等のユーザーインターフェースに荷重測定用のフォースセンサが用いられている。フォースセンサは種々あるが、例えば特許文献１の図１に示されるピエゾ抵抗方式では、ダイヤフラム部を有するシリコン基板と、リム部とは反対側のダイヤフラム部上に設けた複数のゲージ抵抗からなるブリッジ回路と、ダイヤフラムと接着される中央部に凹部を有し、ブリッジ回路と電気的に接続する配線パッドを形成した絶縁性の基部（パイレックス（登録商標）ガラス）と、ワイヤーボンディングにより配線パッドと電気的に接続されたパッケージと、ダイヤフラム部上に設けた球（サファイヤ球）とを備えている。この従来のフォースセンサは、サファイヤ球を介して受けた荷重に応じてダイヤフラム部が変位し、その変位量に応じてブリッジ回路の出力が変化することから、荷重を検出することができる。従来構造のピエゾ抵抗式フォースセンサは、例えば特許文献２−５にも記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特公平５−７７３０４号公報
【特許文献２】特開平１０−３２５７７２号公報
【特許文献３】米国特許第４６８０６０６号
【特許文献４】米国特許第４７４５８１２号
【特許文献５】米国特許第４８６１４２０号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上述のフォースセンサは、搭載されるモバイル機器に合わせて、小型化及び低背化が要求される。しかし、変位部上に設けた球を介して荷重を受ける従来構造では、球サイズが大きく、低背化が難しい。球サイズを小さくすると、球の接触面積も小さくなるため狭いエリアに荷重が集中することとなり、センサが壊れやすくなってしまう。また、従来構造では、基部（パイレックス（登録商標）ガラス）に形成した配線パッドとパッケージとの電気的接続にワイヤーボンディングを用いているので、ボンディングワイヤーを設けるためにカバーなどのスペースを確保しなければならず、これによっても低背化が難しかった。【０００５】
本発明は、上記課題を鑑みて、簡単な構成で低背化可能なフォースセンサを得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、ピエゾ抵抗式フォースセンサの新たな構造を提案するもので、変位部を構成するシリコン基板の表裏面の一方に受圧部を、他方に複数のピエゾ抵抗素子と支持部を設け、この支持部を複数のピエゾ抵抗素子と電気的に接続すれば、実装時に該支持部自体を外部実装基板に直接接続でき、従来の球、ベース基板、パッケージ及びワイヤーボンディングは不要となることから、低背化できることに着目して完成されたものである。【０００７】
すなわち、本発明は、所定厚さのシリコン基板からなる変位部と、前記シリコン基板の表裏面の一方に位置して外部からの荷重を受ける受圧部と、この受圧部とは反対側となる前記シリコン基板の表裏面の他方に配置され、前記変位部の変位量に応じて電気抵抗が変化する複数のピエゾ抵抗素子と、前記シリコン基板の表裏面の他方に突出形成され、前記複数のピエゾ抵抗素子とそれぞれ電気的に接続し、かつ、該複数のピエゾ抵抗素子よりも周縁側で前記変位部を変位自在に支持する複数の電気接続支持部とを備えたことを特徴としている。【０００８】
前記複数の電気接続支持部は、前記変位部の平面中心に関して対称な位置に設けることが好ましい。この態様によれば、変位部を安定に支持することができる。具体的には例えば、シリコン基板を平面矩形状とし、この平面矩形の角部にそれぞれ設けることができる。【０００９】
前記電気接続支持部は、ニッケル合金または導電性を有するシリコンからなることが実際的である。【００１０】
前記受圧部は、前記変位部上に隆起した円柱状または多角柱状で形成することが好ましい。この受圧部を有することで、センサ感度が安定化する。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、変位部を支持し、かつ、複数のピエゾ抵抗素子と電気的に接続した電気接続支持部を実装基板に対して直に接続することができるので、従来のベース基板及びワイヤーボンディングが不要となり、低背化を図れる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明を適用したフォースセンサの一実施形態を示す断面図である。
【図２】同フォースセンサを上面側から見て示す平面図である。
【図３】同フォースセンサを下面側から見て示す平面図である。
【図４】同フォースセンサの実装状態を示す断面図である。
【図５】電気接続支持部の第１の変形例を示す平面図である。
【図６】電気接続支持部の第２の変形例を示す平面図である。
【図７】電気接続支持部の第３の変形例を示す平面図である。
【図８】電気接続支持部の第４の変形例を示す平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
図１は本発明を適用したフォースセンサ１を示す断面図、図２はフォースセンサ１を上面側から見て示す平面図、図３はフォースセンサ１を下面側から見て示す平面図である。フォースセンサ１は、ピエゾ抵抗方式のフォースセンサであって、巨視的な凹凸のない一定厚さのシリコン基板１０を備えている。シリコン基板１０は、平面矩形状をなし、その中央部が荷重により変位する変位部１１を構成している。
【００１４】
シリコン基板１０の表面１０ａには、図２に示されるように、外部からの荷重を受ける受圧部１２が設けられている。受圧部１２は、変位部１１の上に隆起した円柱状の凸受圧部であり、その上面周縁に丸め加工（Ｒ加工）が施されている。この受圧部１２は、ニッケル合金またはシリコン（シリコン基板１０と同一材質）からなる。受圧部１２は省略可能であるが、変位部１１上に受圧部１２を設けることでセンサ感度を安定させることができる。
【００１５】
一方、シリコン基板１０の裏面１０ｂには、図３に示されるように、複数のピエゾ抵抗素子１３と複数の電気接続支持部１５が設けられている。複数のピエゾ抵抗素子１３は、変位部１１の周縁部に沿って、隣り合う素子同士が９０°異なる位相（互いに直交する位置関係）で配置されている。受圧部１２で受けた荷重により変位部１１が変位すると、その変位量に応じて複数のピエゾ抵抗素子１３の電気抵抗が変化し、この複数のピエゾ抵抗素子１３によって構成されたブリッジ回路の中点電位が変化し、この中点電位がセンサ出力として公知の測定装置に出力される。複数のピエゾ抵抗素子１３には回路配線部１６がそれぞれ接続されており、この回路配線部１６を介して上記複数の電気接続支持部１５と電気的に接続されている。複数のピエゾ抵抗素子１３と回路配線部１６は、絶縁膜１４によって覆われている。
【００１６】
複数の電気接続支持部１５は、変位部１１の周縁部に沿って配置した複数のピエゾ抵抗素子１３よりもさらに基板周縁側に位置し、シリコン基板１０の裏面１０ｂから突出した状態で設けられている。本実施形態では図３に示すように、各電気接続支持部１５が四角柱状をなし、平面矩形状をなすシリコン基板１０の裏面１０ｂの４つの角部にそれぞれ配置されている。複数の電気接続支持部１５は、シリコン基板１０の対角線上で対向する一対が変位部１１の平面中心に関して対称な位置関係にあるので、変位部１１を安定に支持することができる。各電気接続支持部１５は、ニッケル合金または低抵抗シリコンからなる。また、上述のように複数の電気接続支持部１５は、絶縁膜１４内に設けた回路配線部１６を介して、複数のピエゾ抵抗素子１３とそれぞれ電気的に接続されている。つまり、電気接続支持部１５は、変位部１１を変位自在に支持する支持部としての機能と、複数のピエゾ抵抗素子１３を外部実装可能な状態に保持する電気接続部としての機能とを有する。
【００１７】
上記フォースセンサ１は、図４に示すように、複数の電気接続支持部１５と外部実装基板２の対応する電極２０とを直接接続することにより、外部実装基板２に実装できる。この実装には、例えば半田、異方性導電膜（ＡＣＦ；Ａｎｉｓｏｔｒｏｐｉｃ  Ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｅ  Ｆｉｌｍ）、異方性導電ペースト（ＡＣＰ；Ａｎｉｓｏｔｒｏｐｉｃ  Ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｅ  Ｐａｓｔｅ）、非導電性膜（ＮＣＦ；Ｎｏｎ  Ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｅ  Ｆｉｌｍ）を用いることができる。
【００１８】
以上のように本実施形態のフォースセンサ１は、シリコン基板１０の受圧部１２側とは反対側に、変位部１１を支持し、かつ、複数のピエゾ抵抗素子１３と電気的に接続した複数の電気接続支持部１５を備えたので、この複数の電気接続支持部１５を介して外部実装基板２に容易に実装することができる。これにより、従来構造では必須であった球、ベース基板、パッケージ及びワイヤーボンディングは不要となるので、これらの高さ分を省略できて低背化を図れる。また、簡単な構成でフォースセンサ１を実現でき、低コスト化も図れる。
【００１９】
本実施形態では、複数の電気接続支持部１５を四角柱状で設けたが、複数の電気接続支持部１５の平面形状は変形可能である。図５〜図８は複数の電気接続支持部１５の平面形状の変形例であって、図５は平面正方形の柱の角部を面取りした四角柱状、図６は円柱状、図７は平面Ｌ字形の柱状、図８は図７の平面Ｌ字形を面取りした柱状とした場合である。また、複数の電気接続支持部１５を設ける位置は、複数のピエゾ抵抗素子１３よりもシリコン基板１０の周縁側であれば自由度があるが、変位部１１を安定に支持するために変位部１１の平面中心に関して対称に配置することが好ましい。
【００２０】
また本実施形態では、円柱状の受圧部１２を設けたが、受圧部１２は多角柱状であってもよい。
【産業上の利用可能性】
【００２１】
本願発明は、モバイル機器のタッチパネルやコントローラ等のユーザーインターフェースに用いられる荷重測定用のピエゾ抵抗式フォースセンサに適用可能である。
【符号の説明】
【００２２】
１    フォースセンサ
２    外部実装基板
１０    シリコン基板
１０ａ  表面
１０ｂ  裏面
１１    変位部
１２    受圧部
１３    ピエゾ抵抗素子
１４    絶縁膜
１５    電気接続支持部
１６    コンタクト部
２０    電極
【図１】
2011065250.tif 000003
【図２】
2011065250.tif 000004
【図３】
2011065250.tif 000005
【図４】
2011065250.tif 000006
【図５】
2011065250.tif 000007
【図６】
2011065250.tif 000008
【図７】
2011065250.tif 000009
【図８】
2011065250.tif 000010
【手続補正書】
【提出日】平成23年3月14日(2011.3.14)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定厚さのシリコン基板からなる変位部と、
前記シリコン基板の表裏面の一方に位置して外部からの荷重を受ける受圧部と、
この受圧部とは反対側となる前記シリコン基板の表裏面の他方に配置され、前記変位部の変位量に応じて電気抵抗が変化し、前記変位部の前記受圧部と対向する位置よりも周縁に沿って、隣り合うピエゾ抵抗素子同士が互いに直交して配置された複数の前記ピエゾ抵抗素子と、
前記シリコン基板の表裏面の他方に突出形成され、前記複数のピエゾ抵抗素子とそれぞれ電気的に接続し、かつ、該複数のピエゾ抵抗素子よりも周縁側で前記変位部を、前記受圧部で受けた外部からの荷重に対して変位自在に支持する複数の電気接続支持部と、
を備えたことを特徴とするフォースセンサ。
【請求項２】
請求の範囲第１項に記載のフォースセンサにおいて、前記複数の電気接続支持部は、前記変位部の平面中心に関して対称な位置に設けたフォースセンサ。
【請求項３】
請求の範囲第２項に記載のフォースセンサにおいて、前記複数の電気接続支持部は、平面矩形状をなすシリコン基板の角部にそれぞれ設けられているフォースセンサ。
【請求項４】
請求の範囲第１項ないし第３項のいずれか一項に記載のフォースセンサにおいて、前記電気接続支持部は、ニッケル合金または導電性を有するシリコンからなるフォースセンサ。
【請求項５】
請求の範囲第１項に記載のフォースセンサにおいて、前記受圧部は、前記変位部上に隆起した円柱状または多角柱状であるフォースセンサ。
【国際調査報告】
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2011065250.tif 000012
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